可再生能源制氫系統制氫電源研究

孫龍林，方益成，李 飛*

(1.陽光氫能科技有限公司，合肥 230088； 2.可再生能源接入電網技術國家地方聯合工程實驗室，合肥工業大學，合肥 230009)

0 引言

氫能是一種清潔的二次能源。目前，全球范圍內對氫能的需求量日益增長，預計2050年全球氫能市場規模將達到2.3萬億歐元，占整個能源結構的17%～20%[1]。但截至目前，全球基于電解生產的氫氣不足4%，而中國的電解產氫量占總制氫量更是不足1%[2-3]。目前的電解產氫主要還是化石能源氯生產的副產品，而基于化石能源的氫即灰氫，在生產過程中產生的溫室氣體較多[4]。為了將電解制氫從化石能源載體中獨立出來，同時減少二氧化碳的排放，需要大幅增加利用可再生能源制氫的份額。截至2020年底，全球有16個國家已制定國家級別的氫能戰略，另有11個國家正在制定此種戰略，以有力支撐低碳化能源轉型。在過去十年里光伏發電成本下降了90%，風電成本下降了25%～40%，儲能成本下降幅度超過80%[1,3]，所以利用光伏發電、風電等可再生能源電力的電解水制氫，是未來“綠氫”能源發展的趨勢。

阻礙可再生能源電力電解水制氫普及的一個主要原因是制氫系統通常需要動態適應可再生能源電力的波動。作為制氫系統核心設備的電解槽是一個低壓大電流系統[5-6]，當電解槽從可再生能源發電系統中取電時，需要有可靠的電力電子變換器作為供電電源。目前基于晶閘管整流電路的制氫電源由于技術成熟且成本低，已經在大電流工業中應用了很長時間。然而，晶閘管的使用會產生大量諧波，降低系統的功率因數[7]，并會增加系統外的損耗；此外，晶閘管制氫電源在大功率場景下應用時為降低諧波需配套有載調壓裝置，這會嚴重影響系統的響應時間。雖然脈沖寬度調制(PWM)制氫電源在制氫系統中應用還不普遍，但基于全控型器件的PWM制氫電源可以通過控制使交流側輸入電流接近正弦基波，大幅降低諧波，減少系統損耗[8]，不使用有載調壓裝置，提高系統的響應速度。

本文首先介紹了可再生能源制氫系統的構成，然后分別介紹了傳統的晶閘管制氫電源拓撲結構及PWM制氫電源拓撲結構，并闡述了這2種制氫電源的特點。最后通過Matlab/Simulink仿真比較了2種制氫電源的特性，證明了可再生能源制氫系統中采用PWM制氫電源相較于晶閘管制氫電源的優勢。

1 可再生能源制氫系統的構成

可再生能源制氫系統包括源、網、儲、氫，以及氫能源的儲存、運輸、應用等部分，其結構示意圖如圖1所示。其中：源包含光伏發電、風電、生物質能發電、地熱發電、海洋潮汐能發電等可再生能源發電(本文僅分析風能和光伏發電)；網即電網，可以是直流電網或交流電網；儲即是儲能系統；氫即是制氫部分，制氫部分是整個可再生能源制氫系統的關鍵組成，包括制氫電源、制氫裝置及能量管理系統。制氫裝置是實現清潔制氫的關鍵設備，目前應用較多的有ALK(Alkaline)堿水電解制氫系統以及PEM(Proton Exchange Membrane)純水電解制氫系統。能量管理系統包括電網、可再生能源發電系統、負荷、儲能系統等單元之間能量傳遞的檢測(圖中實線)，通過控制指令(圖中虛線)進行規劃調控，是可再生能源制氫系統中的重要組成部分，具有保障整個系統安全穩定運行的重要作用。制氫電源是實現從上層控制到下層設備動作的至關重要設備。根據接入電網類型的不同，制氫電源可以分為DC/DC電源和AC/DC電源，本文以采用AC/DC電源的制氫電源為對象展開研究。

圖1 可再生能源制氫系統結構示意圖Fig. 1 Structure of schematic diagram of hydrogen production system of renewable energy

2 制氫電源

在采用AC/DC電源的可再生能源制氫系統中，需要制氫電源有較小的諧波及較高的功率因數，下文分別針對晶閘管制氫電源及PWM制氫電源的特點進行分析。

2.1 晶閘管制氫電源

工業生產中，在大功率整流環境下一般使用6或12脈波晶閘管整流器為制氫裝置供電，控制過程中通過改變晶閘管整流器的觸發角來改變其直流輸出電壓。6脈波晶閘管整流器的拓撲結構如圖2所示，這種拓撲結構由2組三相半波橋串聯，結構簡單、應用時間長、技術成熟，采用這種結構的整流器成本較低，但這種結構的網側電流中含有6k±1次(k為正整數)諧波，功率因數低[6]。

圖2 6脈波晶閘管整流器的拓撲結構Fig. 2 Topological structure of 6 pulse thyristor rectifier

12脈波晶閘管橋式整流器的拓撲結構如圖3所示。這種拓撲結構在大功率整流環境中應用最為廣泛，由2組晶閘管整流橋并聯，整流橋前使用三角形繞組，副邊為星形繞組和三角形繞組的隔離變壓器，隔離變壓器使2組整流橋，輸入電壓的相位差為30°，2組整流橋輸出端通過帶抽頭的電抗器相連，可增大輸出電流。

圖3 12脈波晶閘管整流器的拓撲結構Fig. 3 Topological structure of 12 pulse thyristor rectifier

與6脈波整流器相比，12脈波整流器網側電流的諧波主要是12k±1次，其中的第5次、7次諧波的含量很小。由于諧波幅值隨其次數的增大而迅速減小，因此相較于6脈波整流器，12脈波整流器的諧波更小，功率因數得到改善，有利于提高制氫裝置的壽命[6]。

由于晶閘管自身的開關特性，在大功率晶閘管制氫電源的使用過程中，仍會對電網產生極大的諧波影響，為了進一步降低諧波，大功率晶閘管整流設備制造廠家通常會在晶閘管整流電路前加裝帶有載調壓開關的整流變壓器裝置(下文簡稱“有載調壓裝置”)。

晶閘管制氫電源的整體拓撲圖如4所示，其中，有載調壓開關(圖中綠線框)及整流變壓器(圖中紅線框)組成有載調壓裝置。

圖4 晶閘管制氫電源的整體拓撲圖Fig. 4 Overall topological structure of thyristor controlled hydrogen power supply

有載調壓裝置由含有多個抽頭的高壓繞組與繞組匝數固定的低壓繞組組成。晶閘管制氫電源接在高壓繞組的不同抽頭上構成不同的變壓器變比，從而改變電源的輸出電壓。當電源的輸出功率發生變化時，通過切換有載調壓裝置的檔位可保證晶閘管整流器的觸發角保持在一定范圍內，從而改善晶閘管整流器輸入電流的波形，減小諧波。但常用的有載調壓裝置采用機械式開關結構，會造成一定的操作延時，這也是制氫系統中采用晶閘管制氫電源的一大弊端。

2.2 PWM制氫電源

晶閘管相控整流電路的輸入電流滯后于其輸入電壓，且輸入電流中含有大量諧波，這會造成整流器的功率因數很低。PWM制氫電源使用的是PWM整流電路，采用SPWM調制技術使輸入電流的波形更接近正弦波，且能使輸入電流和輸入電壓的相位相同，從而使功率因數接近1[8]。由于PWM整流器自身特性，對電網造成的諧波影響會比晶閘管整流器大幅降低，無需加裝晶閘管電路中所采用的有載調壓裝置，操作延時時間也得到大幅縮減。此外，由于晶閘管整流器使用半控型器件，其開關頻率在工頻等級，而PWM整流器使用的是IGBT、MOSFET等全控型器件，其開關頻率高，動態響應速度也比晶閘管整流器快。

PWM整流器主要分為電壓型(VSR) PWM整流器和電流型(CSR) PWM整流器這2大類。本文所述PWM制氫電源整體的拓撲結構如圖5所示。

圖5 PWM制氫電源整體拓撲結構Fig. 5 Overall Topological structure of PWM hydrogen power supply

三相橋式VSR PWM制氫電源的拓撲結構中交流側采用三相對稱且無中線的連接方式，使用6個功率開關管(圖5中的T1～T6)，直流側采用電容穩壓。

3 對比分析

3.1 低壓應對能力分析

晶閘管整流電路類似于一個降壓電路，其交流側電壓幅值要比直流側高，并網點電壓出現大幅跌落很有可能是因為交流側電壓過低導致的整流器整流失敗。而PWM整流電路類似于一個升壓電路，因此比晶閘管整流電路能更好地應對交流側的電壓跌落。

國家標準中要求光伏電站應具備的低電壓穿越能力如圖6所示，光伏電站在低電壓穿越期間應具備一定的無功功率支撐能力。

圖6 光伏電站低電壓穿越能力要求Fig. 6 Requirements for low voltage traversal capability of PV power station

在本文所述可再生能源制氫系統中，若發生電壓降低故障，由于晶閘管制氫電源的響應速度較慢，因此系統不具備低電壓穿越能力，但PWM制氫電源能實現快速控制，保持制氫系統在故障期間的連續運行，同時故障器件具備一定的無功功率補償能力，為故障恢復提供了幫助。

3.2 系統效率

晶閘管整流器采用半控型器件，其效率較使用全控型器件的PWM整流器低。晶閘管制氫電源使用過程中還需要配套靜止無功補償器(SVC)或靜止無功發生器(static var generator，SVG)來提高系統功率因數及補償無功功率。然而這些裝置的加入會給系統帶來額外的功率損耗，另外，晶閘管制氫電源還需要配備有載調壓裝置，也會給制氫系統造成一定的功率損耗。

綜上所述可知，晶閘管制氫電源的整體效率會比PWM制氫電源的低。陽光電源股份有限公司提供的2種電源的系統效率數據如表1所示。

表1 2種電源的系統效率Table1 Systems efficiency of two kinds of power

3.3 仿真對比分析

本這利用Matlab/Simulink分別搭建采用晶閘管制氫電源與PWM制氫電源的交流并網制氫系統模型進行仿真驗證。仿真參數如表2所示。

表2 2種電源的仿真參數Table 2 Simulation parameter of two kinds of power

仿真時設定制氫系統中制氫裝置的初始功率為1.8 MW，然后在第60 s時變成3.8 MW，分別觀測這2種制氫電源對制氫系統運行情況的影響。

3.3.1 不同電源下制氫裝置跟蹤功率指令對比

配備有載調壓裝置時，晶閘管制氫電源下制氫裝置的功率跟蹤波形如圖7所示。圖中Pel為制氫裝置的功率，Pref為下發給設備的功率指令。

圖7 配備有載調壓裝置時晶閘管制氫電源下制氫裝置的功率跟蹤情況Fig. 7 When equipped with an on-load voltage regulator，power tracking of hydrogen production device under thyristor hydrogen power supply

由于晶閘管制氫電源下制氫裝置在跟蹤功率指令過程中涉及到有載調壓裝置檔位的切換，因此制氫裝置的功率呈階梯狀變化，且達到指令值所需的時間與有載調壓裝置的換擋時間相關(有載調壓裝置切換一個檔位的時間約為12 s)。由圖7可知，制氫系統的響應速度受換擋時間的影響很大。

PWM 制氫電源下制氫裝置的功率跟蹤波形如圖8所示。

圖8 PWM制氫電源下制氫裝置的功率跟蹤情況Fig. 8 Power tracking of hydrogen production device under PWM hydrogen production power supply

由圖8可知，PWM制氫電源下制氫裝置可以快速跟蹤功率指令，極大提高了制氫系統的響應速度。

3.3.2 不同電源下交流側電流對比

分別采用晶閘管制氫電源和PWM制氫電源時，制氫裝置功率指令值為1.8 MW情況下，0.15 s穩態時間窗口的觀察到的這2種電源采用10 kV整流變壓器時的高壓側電流如圖9、圖10所示。

圖9 晶閘管制氫電源的高壓側電流波形Fig. 9 Current waveform of high voltage side of thyristor hydrogen power supply

圖10 PWM制氫電源的高壓側電流波形Fig. 10 Current waveform of high voltage side of PWM hydrogen power supply

由圖9可知，晶閘管制氫電源搭載有載調壓裝置后高壓側電流波形有很大改善，接近正弦波；由圖10可知，PWM制氫電源高壓側電流畸變率相對于晶閘管制氫電源有較大改善。

表3是制氫裝置功率為1.8、3.8 MW穩態時，晶閘管制氫電源與PWM制氫電源高壓側電流THD對比。

表3 兩種電源高壓側電流THD對比Table 3 Comparison of high-voltage side current THD of two power supplies

從表3中可以看出，相比于未配置有載調壓裝置的晶閘管制氫電源，配置有載調壓裝置的晶閘管制氫電源的高壓側電流THD大幅減小，而且較晶閘管制氫電源的更小。

3.3.3 不同電源下的功率因數對比

PWM制氫電源及有無有載調壓裝置的晶閘管制氫電源的功率因數波形如圖11所示。從圖11中可以看出，晶閘管制氫電源運行時的功率因數是變化的，這是因為其運行過程中觸發角會變化，從而導致其功率因數隨之變化，而配置有載調壓裝置的晶閘管制氫電源的功率因數要比未配置有載調壓裝置時有所提高，但其功率因數無法達到1，但PWM制氫電源功率因數可以恒定保持為1。

圖11 不同制氫電源的功率因數Fig. 11 Power factor of different hydrogen generation power supplies

4 結論

本文對采用不同制氫電源的制氫系統進行了研究。在可再生能源制氫系統中，直接使用晶閘管制氫電源會在交流側產生較大的諧波，因此一般需要配備有載調壓裝置，以降低諧波，但采用有載調壓裝置必然會使電源發生較大延遲，增加制氫系統的響應時間，無法滿足使用要求；而且晶閘管整流器的功率因數較低，實際使用時還需要配套無功功率補償裝置，額外增加了系統損耗。而采用PWM整流電路的制氫電源，既能夠保證交流側諧波較小，可以運行在單位功率因數下，且響應速度快，還能避免因使用有載調壓裝置及無功補償裝置而帶來的系統損耗，提高了效率。此外，由于PWM制氫電源的響應速度快，可以發出無功功率對電網進行無功補償，因此還具備一定的低電壓穿越能力。因此，PWM制氫電源更適用于可再生能源制氫系統，隨著電解制氫技術的不斷發展和突破，未來有關PWM制氫電源的研究將會更加深入，其應用也會更加普遍。